Đề tài " SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT " docx

SEMINAR :
MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT
GVHD : PGS -TS. LÊ VĂN HIẾU
HVTH : HÀ TÂN HÒA
PHAN THANH NHẬT KHOA
PHẦN I :
 GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
PHẦN II :
 ĐO ĐẠC
PHẦN I :
 GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
Màng mỏng chịu được nhiệt độ
cao (màng bền nhiệt) nhằm bảo
vệ các thiết bị bên trong khỏi
nhiệt độ quá lớn của môi trường
làm việc (tới 1100
0
C ). Ví dụ:
màng bảo vệ tuốcbin khí của
động cơ đẩy của máy bay, màng
phủ lên lớp thành buồng đốt
của động cơ xe máy, máy phát
điện… Các thiết bị này, theo
nguyên lí Carnot, cần có nhiệt
độ làm việc càng lớn càng tốt
để tăng hiệu suất của động cơ
nhiệt:
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG MỎNG NHIỆT
• Tính năng:

1
2
1
T
T
H 
Trong đó T
1
, T
2
là nhiệt độ của nguồn
nóng và nguồn lạnh mà khối khí trao đổi
nhiệt. T
1
càng lớn hiệu suất trao đổi nhiệt
càng dần tới 100%.
- Màng mỏng bền cơ - bền nhiệt : trong các dụng
cụ như mũi khoan, do ma sát khi làm việc, nhiệt
độ có thể lên rất cao. Ở nhiệt độ cao, các vật
liệu làm mũi khoan dù bền vẫn bị oxi hóa, trở
thành dạng oxít kém bền cơ. Do đó nhu cầu phủ
màng vừa chống mài mòn vừa bền nhiệt hoặc
hai lớp cơ-nhiệt là rất cần thiết.
- Màng trong suốt phản xạ nhiệt : dùng để phủ
các lớp kính tủ lạnh và greenhouse… vừa lịch sự
vừa giữ nhiệt. Các màng này trong suốt (truyền
qua) lớn đối với vùng phổ khả kiến, nhưng phản
xạ mạnh đối với vùng hồng ngoại. Sóng ngắn
(khả kiến) truyền vào hoặc ra nhà kính được,
nhưng khi chúng bị vật chất hấp thụ và phát ra

lại thì năng lượng suy giảm, bước sóng dài ra,
không thoát ra ngoài được. Đối với tủ lạnh thì
tương tự.
Hình 2 : Tủ lạnh với cửa kính có phủ lớp màng mỏng
trong suốt phản xạ nhiệt, vừa thẩm mỹ vừa tiết kiệm
điện năng cho việc làm lạnh
II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG BỀN CƠ NHIỆT
Khi khảo sát các loại màng nghiên cứu cũng như thương phẩm, có các
đặc trưng sau mà người ta quan tâm:
-Đặc trưng chung
+ Độ dày màng
+ Độ bám dính (kg/cm2)
+ Tuổi thọ sử dụng
-Về thẩm mỹ
+ Thẩm mỹ (màu sắc…)
-Về điện học
+ Điện trở
-Về cơ học
+ Độ bền đứt giới hạn (kg/cm2)…
Về tuổi thọ, người ta dùng định luật Paris để mô tả mối liên hệ giữa
chiều dài vết nứt của màng và số chu trình làm việc:
Trong đó:
•a: chiều dài vết nứt
•N: số chu trình
•K: thừa số cường độ ứng suất
•C,n: các hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của môi trường
làm việc, bản chất của vật liệu tạo màng
- Về nhiệt
+ Khoảng nhiệt độ làm việc
+ Sự mỏi nhiệt

-Về quang học
+ Độ phản xạ quang học
+ Độ truyền qua
Về vấn đề oxi hoá, cũng liên quan tới tuổi thọ của màng: người ta sử
dụng tỉ số Pilling-Bedworth (PBR):
PBR=thể tích phần kim loại đã bị oxi hoá / thể tích phần kim loại chưa
bị oxi hoá
- Nếu PBR<1, trong lớp màng Al
2
O
3
, oxít chiếm ít thể tích hơn kim loại,
màng sẽ khá -rỗng xốp, khiến oxi vẫn len vào được.
- Nếu 1<PBR<2, trong lớp màng Al
2
O
3
, oxít chiếm thể tích tương đương
kim loại, màng sẽ chặt, khiến oxi không len vào được.
- Nếu 2<PBR, trong lớp màng Al
2
O
3
, oxít chiếm thể tích nhiều hơn kim
loại, màng không còn bám dính được với đế nữa, bị bong tróc từng
màng lớn.
Do đó, người ta mong muốn tỉ số PBR nằm trong cửa sổ 1-2 để tuổi thọ
màng được lâu. Thể tích lớp oxit phát triển theo thời gian được mô tả
bằng 3 phương trình trong 3 chế độ:
Nếu PBR<1

Nếu 1<PBR<2
Nếu 2<PBR
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO – CÁC PHƯƠNG
PHÁP KHẮC PHỤC NHƯỢC ĐIỂM
1. Phủ màng TBC (thermal barrier coatings)
Thông thường màng chống ăn mòn- bền nhiệt bao gồm 3 lớp sau
Bond coat
- Đế: chính là lớp hợp kim của thành buồng đốt, thông
thường là các hợp kim chứa nickel, sắt-nickel, cobalt có
thể hoạt động bình thường ở 5400
0
C. Vật liệu này rất
thích hợp cho việc chịu các tải (lực) lớn, nhưng không
chịu đựng tốt trước môi trường.
Bond
coat
Bond
coat
- Lớp màng tạo độ kết dính: nếu lớp hợp
kim dễ bị oxi hóa ở nhiệt độ cao, thì lớp
màng là màng nhôm, muốn chống ăn
mòn thì phủ màng crôm.
Lớp màng này ở trên màng kim loại
được gọi là lớp bond layer (tạo đô dính),
vì thường lớp cách nhiệt yttrium
stabilized zirconia ở trên cùng (sẽ nói
dưới đây) là một loại ceramic bền nhiệt
bám dính không tốt trên đế kim loại.
Bond
coat

Lớp này thường là nhôm, khi oxi gặp Al sẽ hình thành nhôm oxit. Khác với các oxit
khác của sắt, kẽm… vốn rỗng, oxit của Al rất bền và có độ chặt cao, khiến oxi không
thể len vào tiếp và các lớp bên trong được bảo vệ. Chúng ta cũng đã biết là các vật
dụng bằng Al thực ra mặt ngoài của chúng đã bị oxi hoá thành một lớp Al2O3 mỏng,
nhưng lớp này có cấu trúc quá chặt làm cho oxi hay nước không đi vào được nữa và
kim loại Al bên trong được bảo vệ. Các vật dụng bằng sắt không có tính chất này, khi
đã bị oxi hoá bên ngoài, oxi tiếp tục khuếch tán vào trong thông qua lớp oxít sắt có
cấu trúc rỗng xốp, và phá hoại tất cả kim loại bên trong, dẫn đến toàn bộ vật dụng
bằng sắt đều biến thành rỉ sắt hết.
Bond
coat
Một nguyên nhân nữa, khi nhiệt độ tăng cao, hệ số giãn nở nhiệt của lớp gốm
và hợp kim khác nhau quá nhiều khiến chúng dễ dàng tróc ra khỏi nhau.
Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không
khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất
Hình 4 : Sự bong tróc do không phủ lớp màng bond layer lên đế vỏ
kim loại trước khi phủ lớp màng ceramic
Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không
khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất
- Lớp màng cách nhiệt: thường là yttrium
stabilized zirconia. Zirconia có hệ số dẫn nhiệt
rất kém 1,5-2 W/m
2
K và hệ số nở nhiệt (6-
8.10
−6
/K)) không khác biệt quá mức so với đế
(13-14.10
−6
/K).

Lớp màng cách nhiệt sẽ làm nhiệt độ làm việc
của buồng đốt (1100C), trước khi tới lớp vỏ
hợp kim của buồng, sẽ suy giảm vừa đủ sức
chịu đựng của vỏ hợp kim.
Bond
coat
Lớp màng này có độ xốp (rỗng) cao nhằm làm giảm hơn nữa hệ số dẫn nhiệt
đồng thời giảm độ giòn. Các đặc tính khác là: không xảy ra chuyển pha khi nhiệt
độ thay đổi trong khoảng nhiệt độ phòng và nhiệt độ làm việc (tức là khi máy
nóng và máy nguội đi, lớp màng này không xảy ra chuyển pha), ì về mặt hóa học,
dẫn nhiệt kém, hệ số nở nhiệt gần giống với đế (đây là điều cực kỳ quan trọng),
bám dính tốt trên lớp màng chống ăn mòn.
Vật liệu lớp này là Zirconia ZrO2, một loại gốm. Trong gốm, các liên kết mạng
bản chất lực ion hút nhau giữa cation va anion. ZrO2 có khuyết điểm (và cũng là
ưu điểm) là rất xốp, hệ số khuếch tán đối với oxi rất cao, đó là lí do tại sao phải có
lớp phủ chống khuếch tán oxi ở phía dưới.
Về vật liệu yttrium stabilized zirconia:
Zirconia nguyên chất có nhiều ưu điểm cũng như khuyết điểm:
- Có hệ số khuếch tán đối với oxi rất cao.
- Trong khi nhiệt độ hay áp suất biến đổi, zirconia chuyển pha qua rất nhiều dạng thù
hình. Đây là điều rất có hại. Ở nhiệt độ thường, zirconia ở trong pha monoclinic. Đến
1240
0
C, chuyển qua tetragonal. Đến 237
0
, chuyển qua cubic. Còn nếu áp suất quá cao,
zirconia sẽ chuyển qua orthorhombic. Khi chuyển pha, các hằng số mạng thay đổi, dẫn
tới hai lớp màng không còn bám dính nhau được nữa, hoặc thể tích của lớp zirconia
tăng.
Do đó người ta phải pha tạp yttria Y

2
O
3
, nồng độ 8%. Chất pha tạp này sẽ làm cho trạng
thái cubic rất bền, và giữ cho màng không chuyển pha khi nhiệt độ thay đổi. Ngoài ra
còn pha tạp MgO, CaO.
Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra
sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất
-Phương pháp plasma spraying tạo ra màng gồm các hạt
nóng chảy, có dạng bánh pancakes, do đó màng tạo ra có độ
xốp cao, có thể có các vết nứt.
-Phương pháp EB-PVD tạo ra màng phát triển theo cấu trúc
cột, không có độ rỗng, nhưng độ dẫn nhiệt lại cao, giá thành
lại mắc
Chế tạo lớp màng bền nhiệt: plasma spraying và
electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Hai
phương pháp dẫn tới hai loại màng có cấu trúc khác
nhau và do đó có ưu nhược khác nhau.
Phương pháp plasma spraying.
Nội dung : bột hợp kim được bơm vào
dòng khí plasma nhiệt độ cao của
súng phóng plasma. Bột sẽ nóng chảy
và được bắn vào đế. Chạm vào đế, các
hạt bột sẽ nguội dần và hình thành
lớp phủ dạng splat (vảy). Do đó các
không gian rỗng sẽ nằm ngang. Nhiệt
độ trong quá trình phủ là 10.000-
200.000
0
C. Do đó nhất định phải thực

hiện trong buồng chân không, hoặc
buồng áp suất thấp nhưng phải là khí
trơ.
Sử dụng hạt bột quá to (>40 micromet) thì hạt đi ra khỏi súng
plasma mà chỉ có vỏ ngoài của hạt nóng chảy, do đó khi phủ sẽ
tạo thành các cục thô trên đế, màng thô, độ xốp cao.
Hạt bột quá bé (<10micromet) thì khi va chạm với plasma lại bị
tiêu tán mất năng lượng, không đủ sức xuyên qua lớp plasma để
đi tới đế, tuy nhiên các hạt tới được đế thì nóng chảy hết, tạo ra
lớp màng mịn, có độ xốp bé.
Màng thô thì tạo độ bám dính tốt đối với lớp màng bền
nhiệt phía trên. Do đó, thường người ta phủ lớp màng
chống ăn mòn và oxi hóa thành 2 lần: lần thứ nhất dùng
các hạt bột mịn phủ lên vỏ đế (vỏ buồng đốt), lần thứ hai
dùng hạt bột to phủ một lớp thô để tạo độ bám dính tốt
với lớp màng bền nhiệt sẽ phủ sau này.
Phương pháp plasma spraying.
Bond
coat
Khi phủ màng bằng phương pháp plasma
spraying, có một số thông số chúng ta cần
lưu ý như sau:
-Lưu lượng thổi của dòng plasma quá yếu,
bột của vật liệu rơi ra từ ống đựng bột sẽ
chảy xuống qua plasma mà không được
thổi tới đế hoặc thổi tới đế quá ít.
-Lưu lượng quá mạnh, bột của vật liệu rơi
ra từ ống đựng bột sẽ bị luồng plasma đấy
chếch ra khỏi phương ngang, cũng không
được tới được đế hoặc tới đế quá ít.

- Lưu lượng vừa phải, bột của vật liệu rơi
ra từ ống đựng bột sẽ bị luồng plasma đẩy
đúng tới vị trí đế
B) Nội dung phưong pháp EB PVD
Phương pháp thực hiện trong buồng
chân không cao :10
-4
torr. Vật liệu cần
phủ dược đưa vào dưới dạng các thỏi.
Có khoảng 6 súng phóng chùm điện tử
có công suất từ 10 đến 100 kW. Các
súng này ứng dụng các hiện tượng
phát xạ nhiệt điện tử hoặc phát xạ
lạnh để phóng ra các electron. Các
electron phát xạ ra được gia tốc để
thu được động năng cao, đến đập vào
các thỏi vật liệu màng.
Người ta điều chỉnh điện thế gia tốc sao cho đạt cỡ 25kV và dòng phát xạ điện
tử là cỡ vài ampe, khi đó, vào lúc va chạm vào thỏi vật liệu, đến 85% động
năng của electron chuyển thành nhiệt năng cho thỏi và vật liệu bốc hơi.
Chúng bay khắp buồng chân không và bám vào tất cả các bề mặt trong buồng.
Ưu điểm và nhược điểm của phưong pháp EB PVD
-Ưu:
+ Tốc độ phủ màng cao từ
1nm/phút đến micromet/phút, do đó
ứng dụng mạnh trong sản xuất đại trà
(công nghiệp)
+ Hiệu suất sử dụng vật liệu là
cao hơn các quá trình khác

-Nhược:
+ Khó phủ được phía trong
các vật thể
+ Nguồn phát xạ điện tử bị
thoái hoá theo thời gian trong khi phủ
màng, dẫn đến dòng phát xạ điện tử
cũng biến đổi > tốc độ phủ màng bị
biến đổi theo thời gian
PHẦN II : ĐO ĐẠC
I. Độ dẫn nhiệt của màng TBC
II. Ứng suất đàn hồi của màng TBC
III. Sự mỏi nhiệt
IV. Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm
I. Độ dẫn nhiệt của màng TBC
 Độ dẫn nhiệt thấp là một trong những đòi hỏi quan trọng
nhất trong việc chế tạo màng TBC.
 Màng hiện tại có độ dẫn nhiệt thấp (khoảng 2,5W/m-K),
và có thể giảm độ dẫn nhiệt bằng cách tạo ra các vi lỗ rỗng
và các vi vết nứt trong màng.
 Màng phủ bằng phương pháp plasma-sprayed có độ dẫn
nhiệt ban đầu khoảng 1W/m-K. Tuy nhiên, ủ nhiệt gốm có
thể làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của màng TBC lên lại.
Sự cấp nhiệt ở bề mặt và sự làm mát ở mặt sau của màng tạo ra một
gradient nhiệt độ ở trạng thái dừng.
Phương pháp đo bằng laser cung
cấp nhiệt : xác định động học sự
phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nhiệt
độ  phục vụ cho việc chế tạo và
dự đoán tuổi thọ của màng TBC .
Trong suốt quá trình khảo sát,

nhiệt độ của bề mặt gốm và mặt
sau của tấm kim loại được đo
bằng infrared pyrometry. Nhiệt
độ tại điểm giữa của đế được xác
định nhờ cặp nhiệt điện.
Thiết bị :Thiết bị :